Analisa Pengaruh Variasi Pinch Point Dan Approach Point Terhadap Performa Heat Recovery Steam Generator Tipe Dual Pressure - ITS Repository

• – TUGAS AKHIR TM141585

  

ANALISA PENGARUH VARIASI PINCH POINT

DAN APPROACH POINT TERHADAP PERFORMA

HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR TIPE

DUAL PRESSURE RYAN HIDAYAT NRP. 2112100061 Dosen Pembimbing Bambang Arip Dwiyantoro, S.T, M.Eng, Ph.D JURUSAN TEKNIK MESIN Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 201

  7

  TUGAS AKHIR – TM141585 ANALISA PENGARUH

VARIASI PINCH POINT DAN

  

APPROACH POINT TERHADAP PERFORMA HEAT

RECOVERY STEAM GENERATOR TIPE DUAL PRESSURE RYAN HIDAYAT NRP. 2112100061 Pembimbing: Bambang Arip Dwiyantoro, S.T, M.Eng, Ph.D JURUSAN TEKNIK MESIN Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2017

  FINAL PROJECT – TM141585

ANALYSIS OF THE VARIATION IN PINCH POINT AND

APPROACH POINT TOWARD THE PERFORMANCE OF HEAT

RECOVERY STEAM GENERATOR DUAL PRESSURE TYPE RYAN HIDAYAT Registration No. 2112100061 Academic Advisor: Bambang Arip Dwiyantoro, S.T, M.Eng, Ph.D DEPARTMENT MECHANICAL ENGINEERING Faculty of Industrial Technology Sepuluh Nopember Institute of Technology Surabaya 2017

  

ANALISA PENGARUH VARIASI PINCH POINT DAN

APPROACH POINT TERHADAP PERFORMA HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR TIPE DUAL

PRESSURE

Nama Mahasiswa : Ryan Hidayat NRP : 2112 100 061 Jurusan / Fakultas : Teknik Mesin / FTI - ITS

Dosen Pembimbing : Bambang Arip D, S.T, M.Eng, Ph.D

Abstrak

  Siklus kombinasi adalah siklus termodinamika yang

menggabungkan siklus rankine dan siklus brayton. Kebutuhan

kalor untuk menghasilkan uap air akan disediakan dari gas

buang turbin gas. Hal tersebut bisa terjadi kerana adanya

komponen Heat Recovery Steam Generator (HRSG). Dalam

proses perancangan HRSG harus memperhatikan kebutuhan dari

pembangkit, dan juga memperhatikan parameter yang dapat

mempengaruhi performa HRSG, salah satunya adalah pinch

point dan approach point. Sehingga perlu dilakukan penelitian

untuk mengetahui karakteristik pengaruh dari pinch point, dan

approach point pada HRSG terhadap performa pembangkit. Juga

perlu penelitian untuk mengetahui pengaruh komponen di luar

HRSG seperti gas turbin terhadap performa HRSG dan

dampaknya pada pembangkit secara keseluruhan.

  Pada penelitian tugas akhir ini, metode yang digunakan

adalah dengan melakukan simulasi pembangkit menggunakan

software cycle tempo. Simulasi akan disesuaikan dengan data

acuan siklus kombinasi dengan konfigurasi 1 x 1 x 1 (1 GT - 1

HRSG dual pressure

• – 1 ST single pressure). Hasil yang

  diharapkan yaitu mendapatkan nilai net power output, net plant

  efficiency, dan net plant heat rate yang dihasilkan dari sistem

  setelah dilakukan variasi pembebanan pada turbin gas, dan juga

  setelah dilakukan variasi pinch point dan approach temperature

  Hasil simulasi menunjukkan bahwa pada beban turbin

gas 100% akan menghasilkan nilai net power output sebesar

72,205 MW yang akan mengalami penurunan, dan net plant

efficiency sebesar 47,044 % , juga nilai net plant heat rate

sebesar 7652,3 kJ/kWh yang mengalami tetap seiring

menurunnya beban turbin. Sementara untuk variasi perubahan

pinch point pada approach point tetap akan mengakibatkan

power output, net plant efficiency menjadi meningkat dan

penurunan pada net plant heat rate seiring dengan berkurangnya

nilai pinch point. Untuk variasi approach point pada pinch point

tetap akan mengakibatkan peningkatan pada power output, net

plant efficiency dan penurunan nilai pada net plant heat rate

seiring dengan berkurangnya nilai approach point. Variasi yang

menghasilkan performa terbaik adalah pada pengurangan nilai

_o

pinch point modul low pressure dimana pinch point sebesar 50,8

_o

C dan approach point 9,77 C menghasilkan power sebesar

  

16,069 MW, net plant efficiency sebesar 50,462 %, dan net plant

heat rate sebesar 7132,535 kJ/kWh, namun untuk dapat

membangkitkan daya sebesar itu diperlukan tambahan sumber

panas sebesar 25 MW.

  

Kata kunci : Approach point, Cycle Tempo, HRSG, Siklus

Kombinasi, Pinch point

  

ANALYSIS OF THE VARIATION IN PINCH POINT

AND APPROACH POINT TOWARD THE

PERFORMANCE OF HEAT RECOVERY STEAM

GENERATOR DUAL PRESSURE TYPE

Student Name : Ryan Hidayat NRP : 2112 100 061 Departemen : Teknik Mesin / FTI - ITS Supervisior : Bambang Arip D, S.T, M.Eng, Ph.D Abstract

  Combine cycle is thermodynamic cycle that combine

Rankine cycle and Brayton cycle. The heat require to generate

steam comes from the exhaust gas of gas turbine. That thing can

be happen because of Heat Recovery Steam Generator (HRSG).

In HRSG design, the require of the plant and the parameter that

change HRSG performance need to be keep in mind. One of the

parameter is pinch point and approach point. So, research to

study the change of pinch point and approach point toward HRSG

performance must be conducted. And the research to study the

change of component outside HRSG, like turbine load toward

HRSG performance and the whole plant performance too.

  The method that used in this final project research is to

make the simulation of the plant with cycle tempo software. The

simulation needs to be based on the reference data of combine

cycle with 1x1x1 configuration (1 GT - 1 HRSG dual pressure

• – 1

  ST single pressure). The expected result is to get the net power

  output, net plant efficiency, and net plant heat rate from the plant

  after the variation of the turbine load, and the variation of pinch

  point and approach point of HRSG.

  The simulation result show in 100% turbine load will

have 72,205 MW in net power output that will descend following

the descend of turbine load. And this condition will have 47,044%

in net plant efficiency and 7652,3 kJ/kWh in net plant heat rate

  

load. And for the variation of pinch point with same approach

point will have the value of power output, and net plant efficiency

ascend, and net plant heat rate descend following the descend of

the pinch point. For the variation of approach point with same

pinch point will have the result same as variation of pinch point

result. The best result from this variation is from the change of

pinch point in low pressure module, that give result of 16,069 in

power, 50,462% in net plant efficiency, and 7132,535 kJ/kWH in

_o

net plant heat rate, when the value of pinch point is 50,8 C and

_o the value of approach point is 9,77

   C. But that result can not be achieve because the lack of 25 MW heat source.

  

Keywords : Approach point, Combine Cycle, Cycle Tempo,

HRSG, Pinch point

KATA PENGANTAR

  Segala puji dan syukur kami panjatkan kehadirat Allah SWT atas limpahan rahmat dan hidayah-Nya, sehingga tugas akhir dengan judul:

  

“ANALISA PENGARUH VARIASI PINCH POINT DAN

APPROACH POINT TERHADAP PERFORMA HEAT

RECOVERY STEAM GENERATOR TIPE DUAL

PRESSURE

  ”

  dapat terselesaikan. Laporan ini disusun sebagai salah satu persyaratan untuk meraih gelar Sarjana pada Jurusan Teknik Mesin

  Dalam penyusunan Tugas Akhir ini, penulis berusaha menerapkan ilmu yang didapat selama menjalani perkuliahan di Teknik Mesin. Kiranya penulis tidak akan mampu menyelesaikan Tugas Akhir ini tanpa bantuan, saran, dukungan dan motivasi dari berbagai pihak. Oleh karena itu penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

  1. Mama, Papa, Mbak Rika, A Fian, Ari dan segenap keluarga besar yang telah memberikan segalanya bagi penulis.

  2. Bapak Bambang Arif Dwiyantoro ST., M.Eng., Ph.D selaku dosen pembimbing, yang telah meluangkan waktu, tenaga dan pikiran untuk memberikan ide, arahan, bimbingan sehingga tugas akhir ini dapat terselesaikan dengan baik.

  3. Bapak Prof. Dr. Eng Prabowo M.Eng , Ary Bachtiar KP ST., MT., Ph.D., dan Dr Bambang Sudarmanta, ST,. MT,. selaku dosen penguji atas semua kritik dan saran demi kesempurnaan tugas akhir ini.

  4. Anson dan Alfian sebagai teman satu bimbingan yang telah membersamai perjuangan penyelesain tugas akhir ini.

  5. Ilman, Achsan, Ilham, Havi dan seluruh keluarga besar laboratorium perpan yang telah memberikan saran dan bantuan dalam menyelesaikan tugas akhir

  6. Fakhrul dan Wahyu yang telah banyak membantu penulis dalam melewati masa-masa perkuliahan dan tugas akhir ini.

  7. Keluarga Ash Shaff, JMMI, dan GMH yang banyak memberikan pengalaman berharga selama masa perkuliahan ini.

  8. Teman-teman M55, Teknik Mesin 2012 yang telah membersamai masa perkuliahan ini.

  9. Keluarga Pisman5, Qolam, Paskibra5, dan OSIS5 yang membuat penulis termotivasi untuk menyelesaikan tugas akhir agar bisa cepat pulang ke Tangerang.

  10. Pak Bintoro, beserta seluruh karyawan GE Surabaya atas ilmunya yang sangat berharga.

  11. Segenap Bapak/Ibu Dosen Pengajar dan Karyawan di Jurusan S1 Teknik Mesin ITS, yang telah banyak memberikan ilmu serta bantuan selama menjalani masa perkuliahan.

  Penulis menyadari sepenuhnya, bahwa Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna, sehingga penulis mengharapkan adanya kritik dan saran dari berbagai pihak, yang dapat mengembangkan Tugas Akhir ini menjadi lebih baik.Semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi pihak yang membutuhkan.

  Surabaya, Januari 2017 Penulis

  

DAFTAR ISI

  2.1. Siklus Kombinasi .................................................................. 5

  2.4. Penelitian Terdahulu ........................................................... 25

  2.3. Perangkat Lunak Cycle Tempo ........................................... 21

  2.2.3. Efisiensi Termal HRSG.................................................. 18 2.2.4. Pengaruh Pinch Point dan Approach Point pada HRSG ... .................................................................................................. 18

  2.2.2. Klasifikasi HRSG ........................................................... 13

  2.2.1. Komponen Utama HRSG ............................................... 11

  2.2. HRSG .................................................................................. 10

  BAB II TINJAUAN PUSTAKA. ................................................. 5

  HALAMAN JUDUL LEMBAR PENGESAHAN Abstrak ........................................................................................... i Abstract ........................................................................................ iii KATA PENGANTAR ........................................................... ....... v DAFTAR ISI ............................................................................... vii DAFTAR GAMBAR ................................................................... xi DAFTAR TABEL ...................................................................... xiii

  1.5. Manfaat Penelitian ................................................................ 4

  1.4. Tujuan Penelitian .................................................................. 3

  1.3. Batasan Masalah ................................................................... 3

  1.2. Rumusan Masalah ................................................................. 2

  1.1. Latar Belakang ...................................................................... 1

  BAB I PENDAHULUAN ............................................................. 1

  2.4.1. Combined Cycle Heat Recovery Optimization ............... 25

  2.4.2. Analisis Full Repowering PLTU UNIT 1 PT PJB UP Gresik dengan Variasi Pinch Point pada Heat Recovery Steam

  

Generator Menggunakan Software Cycle-Tempo .................... 26

  BAB III METODOLOGI PENELITIAN .................................... 31

  3.1. Tahap-Tahap Penelitian Tugas Akhir ................................. 31

  3.2. Tahap Pemodelan ................................................................ 32

  3.3. Variasi dan Hasil yang Diharapkan .................................... 33

  3.4. Flowchart Pemodelan dan Simulasi Pengubahan Variasi Pembangkit dengan Software Cycle Tempo ............................... 34

  BAB IV ANALISI DATA DAN PEMBAHASAN..................... 37

  4.1. Data Pendukung Dalam Pemodelan .................................... 37

  4.2. Proses Simulasi Siklus Kombinasi ...................................... 41

  4.3. Proses Running dan Validasi .............................................. 45

  4.4. Pengaruh Perubahan Beban Turbin Gas Terhadap Performa Pembangkit .................................................................................. 47

  4.5. Pengaruh Perubahan Pinch Point Pada Modul High Pressure HRSG Terhadap Performa Pembangkit ...................................... 51

  4.6. Pengaruh Perubahan Approach Point Pada Modul High Pressure HRSG Terhadap Performa Pembangkit ........................ 52

  4.7. Pengaruh Perubahan Pinch Point Pada Modul Low Pressure HRSG Terhadap Performa Pembangkit ...................................... 53

  4.8. Pengaruh Perubahan Approach Point Pada Modul Low Pressure HRSG Terhadap Performa Pembangkit ........................ 54

  4.9. Pengaruh Perubahan Pinch Point dan Approach Point Terhadap Power Output .............................................................. 56

  4.10. Pengaruh Perubahan Pinch Point dan Approach Point Terhadap Net Plant Efficiency. .................................................... 57

  4.11. Pengaruh Perubahan Pinch Point dan Approach Point Terhadap Net Plant Heat Rate. .................................................... 59

  4.12. Analisa Laju Alir Massa pada Heat Recovery Steam

  

Generator (HRSG) ...................................................................... 61

  4.12.1. Analisa Laju Alir Massa pada Evaporator ................... 61

  4.12.2. Analisa Laju Alir Massa pada Modul Low Pressure .... 64

  4.13. Optimalisasi Performa Heat Recovery Steam Generator (HRSG) dengan Parameter Pinch Point dan Approach Point ..... 64

  BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ...................................... 67

  5.1. Kesimpulan ......................................................................... 67

  5.2. Saran ................................................................................... 69 DAFTAR PUSTAKA

  [halaman ini sengaja dikosongkan]

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 (a) Siklus Rankine ; (b) Siklus Brayton ..................... 5Gambar 2.2. Siklus Kombinasi ...................................................... 6Gambar 2.3. HRSG pada Siklus Kombinasi................................ 11Gambar 2.4. Skema Diagram HRSG single-pressure ................. 12Gambar 2.5 Profil distribusi temperatur pada Tekanan Tunggal 13Gambar 2.6. Skema Diagram HRSG multi-pressure .................. 14Gambar 2.7. Profil distribusi temperatur pada Tekanan Ganda .. 14Gambar 2.8. Evaporator: (a) tipe drum ; (b) tipe once-through .. 15Gambar 2.9 Unfired HRSG ......................................................... 16Gambar 2.10 Supplementary Fired HRSG .................................. 16Gambar 2.11 HRSG Tipe Horizontal .......................................... 17Gambar 2.12 HRSG Tipe Vertikal .............................................. 18Gambar 2.13 Profil diagram temperatur gas buang dan uap pada

  

single pressure HRSG ................................................................. 19

Gambar 2.14 Kondisi Silang Temperatur pada HRSG ................ 20Gambar 2.15 Input Data pada Cycle-Tempo ............................... 22Gambar 2.16 Contoh Pemodelan pada Cycle-Tempo .................. 23Gambar 2.17 Sistem Matriks pada Cycle-Tempo ........................ 24Gambar 2.18 Grafik pengaruh perubahan Pinch Point HRSG terhadap Net Power Output ......................................................... 27Gambar 2.19 Grafik pengaruh perubahan Pinch Point HRSG terhadap Net Plant Efficiency ...................................................... 28Gambar 2.20 Grafik pengaruh perubahan Pinch Point HRSG terhadap Net Plant Heat Rate ...................................................... 28Gambar 3.1. Flowchart Penelitian .............................................. 31Gambar 3.2. Hasil pemodelan Pembangkit pada Cycle Tempo ... 32Gambar 3.3. Contoh input data kedalam software ...................... 32Gambar 3.4. Flowchart Pemodelan dan Simulasi PengubahanGambar 4.1. Pemodelan Pembangkit .......................................... 41Gambar 4.2. Tampilan Simulasi pada Cycle Tempo.................... 45Gambar 4.3. Tampilan Hasil Simulasi pada Cycle Tempo .......... 47Gambar 4.4. T-S Diagram Siklus Kombinasi .............................. 48Gambar 4.5. Grafik pengaruh perubahan Beban turbin gas terhadapa net power output.......................................................... 50Gambar 4.6. Pengaruh Perubahan Pinch Point dan Approach

  Point pada Modul HP terhadap Power Output ............................ 56

Gambar 4.7. Pengaruh Perubahan Pinch Point dan Approach

  Point pada Modul LP terhadap Power Output ......................... 57

Gambar 4.8. Pengaruh Perubahan Pinch Point dan Approach

  Point pada Modul HP terhadap Net Plant Efficiency................... 58

Gambar 4.9. Pengaruh Perubahan Pinch Point dan Approach

  Point pada Modul LP terhadap Net Plant Efficiency ................ 59

Gambar 4.10 Pengaruh Perubahan Pinch Point dan Approach

  Point pada Modul HP terhadap Net Plant Heat Rate .................. 60

Gambar 4.11. Pengaruh Perubahan Pinch Point dan Approach

  Point pada Modul LP terhadap Net Plant Heat Rate ............... 60 _o Gambar 4.12. Kondisi Evaporator pada Approach Point 4,81 C ... ..................................................................................................... 61

Gambar 4.13. Grafik Perbandingan Approach point dan Laju alir massa ........................................................................................ 62Gambar 4.14. Grafik perbandingan Approach Point dan

  Circulation Ratio ...................................................................... 63

Gambar 4.15. Tabel energy balance pada LP dengan pinch point o

  50,8 C ......................................................................................... 65

  

DAFTAR TABEL

Tabel 1.1. Perbandingan efisiensi beberapa jenis pembangkit oleh

  Burr. 1999 .................................................................................. 2

Tabel 2.1. Variasi pinch point, approach point, dan HP pressure terhadap performa pembangkit ................................................ 26Tabel 2.2. Perbandingan biaya dari 4 kasus yang berbeda ......... 26Tabel 3.1 Variasi Pembebanan Turbin Gas ................................. 33Tabel 3.2 Variasi perubahan pinch point dan approach point pada

  HRSG .......................................................................................... 34

Tabel 4.1 Data Heat Balance ....................................................... 37Tabel 4.2 Data HRSG Predicted Performance ........................... 40Tabel 4.3 Data Input Pada Cycle Tempo..................................... 41Tabel 4.4 Perbandingan Daya output heat balance dan Hasil

  Simulasi Cycle Tempo ................................................................ 46

Tabel 4.5 Input Pada Cycle Tempo ............................................. 49Tabel 4.6 Hasil simulasi dengan perubahan beban turbin gas ..... 49Tabel 4.7 Hasil simulasi Variasi Pinch Point Pada Modul High

  

Pressure HRSG ........................................................................... 51

Tabel 4.8 Hasil simulasi Variasi Approach Point Pada Modul

  

High Pressure HRSG ................................................................... 52

Tabel 4.9 Hasil simulasi Variasi Pinch Point Pada Modul Low

  

Pressure HRSG ........................................................................... 53

Tabel 4.10 Hasil simulasi Variasi Approach Point Pada Modul

  

Low Pressure HRSG .................................................................... 54

Tabel 4.11 Laju alir massa pada evaporator dan deaerator ......... 64Tabel 4.12 Parameter optimal untuk HRSG

  ………………… 66

  [halaman ini sengaja dikosongkan]

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

  Dalam era globalisasi ini, salah satu aspek yang dapat membuat suatu Negara dapat bertahan dalam persaingan global adalah aspek pembangunan. Dalam hal ini, pembangunan yang disorot adalah pembangunan dalam bidang industri. Untuk menunjang pembangunan industri tersebut, maka diperlukan sumber daya energi yang dapat memenuhi kebutuhan pembangunan. Sumber daya energi tersebut bisa didapat dari alam yang kemudian akan diubah menjadi bentuk energi yang lain. Salah satu bentuk energi yang memegang peranan paling penting adalah energi listrik.

  Untuk mendapatkan energi listrik diperlukan infrastruktur pendukung berupa Pembangkit. Pembangkit yang umum digunakan saat ini adalah pembangkit konvensional yang menggunakan sumber energi tak terbarukan sebagai bahan bakar untuk dapat menghasilkan listrik, baik itu berupa batu bara maupun gas bumi. Karena sumber energi tersebut tak terbarukan, maka diharapkan dalam pemanfaatan energi harus seefisien mungkin.

  Pembangkit yang saat ini masih umum digunakan biasanya menggunakan prinsip dari berupa gas. Dan juga terdapat siklus kombinasi yang merupakan gabungan dari siklus Rankine dan siklus Brayton, yang prinsipnya digunakan dalam PLTGU. Dalam siklus kombinasi, untuk menggabungkan kedua siklus yang telah disebutkan sebelumnya maka dibutuhkan suatu komponen tambahan yang biasa disebut HRSG (Heat Recovery

  

Steam Generator ). HRSG pada prinsipnya adalah pengganti

  komponen Boiler pada siklus Rankine yang memanfaatkan panas dari gas buang yang dihasilkan turbin gas di siklus Brayton. Gas buang dari turbin gas tersebut masih memiliki temperatur yang tinggi, sehingga akan sangat tidak baik secara ekonomi maupun lingkungan jika langsung dibuang begitu saja tanpa dimanfaatkan lagi. Dengan pemanfaatan panas dari gas buang tersebut, sehingga bisa didapatkan Efisiensi Termal yang lebih baik dibandingkan jenis pembangkit lainnya, seperti ditunjukkan pada table 1.1.

  Dalam perkembangannya, HRSG dapat dikategorikan menjadi beberapa jenis sesuai kebutuhannya. Sehingga perancangan HRSG pun harus memperhatikan kebutuhan pembangkit itu sendiri. Ada beberapa parameter yang perlu diperhatikan dalam perancangan HRSG, salah satunya adalah dan approach temperature point. Perbedaan

  pinch point

  parameter tersebut akan memberikan perbedaan performa pada HRSG, sehingga perlu dilakukan penelitian untuk mengetahui karakteristik pengaruh dari pinch point, dan approach

  

temperature point pada HRSG. Untuk membantu penelitian, perlu

  dilakukan simulasi pembangkit yang terdapat HRSG yang akan ditinjau didalamnya. Simulasi dapat dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak, salah satunya cycle tempo.

Tabel 1.1 Perbandingan efisiensi beberapa jenis pembangkit oleh

  Burr. 1999

1.2 Rumusan Masalah

  Pada HRSG, terdapat parameter yang menentukan performa dari HRSG itu sendiri, yang akan berpengaruh pada performa pembangkit dimana HRSG itu berada. Sehingga perlu diketahui karakteristik dari pengaruh parameter tersebut terhadap performa pembangkit secara keseluruhan. Berdasarkan uraian tersebut, perumusan masalah untuk penelitian ini, antara lain :

  1. Bagaimana membuat pemodelan pembangkit yang memiliki

• – 1 turbin uap tekanan tunggal) menggunakan perangkat lunak Cycle-tempo.

  3. Siklus kombinasi dengan konfigurasi 1x1x1 (1 turbin gas

  1. Membuat pemodelan pembangkit yang memiliki konfigurasi 1x1x1 (1 turbin gas

  Berdasarkan rumusan masalah diatas, maka tujuan dilakukannya penelitian ini sebagai berikut:

  1.4 Tujuan Penelitian

  6. Penelitian ini tidak melibatkan analisis ekonomi, metalurgi, dan manufaktur.

  5. Simulasi dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak Cycle-Tempo 5.0.

  4. Heat Recovery Steam Generator (HRSG) tipe horizontal dengan sistem tekanan dua tingkat.

  2. Perubahan energi kinetik dan potensial diabaikan.

  1. Kondisi operasi steady state.

  Adapun batasan masalah yang digunakan dalam penelitian ini antara lain:

  1.3 Batasan Masalah

  3. Bagaimana perubahan net power output, net plant efficiency, dan net plant heat rate yang dihasilkan dari sistem setelah dilakukan variasi pinch point dan approach temperature point pada HRSG.

  2. Bagaimana perubahan net power output, net plant efficiency, dan net plant heat rate yang dihasilkan dari sistem setelah dilakukan variasi pembebanan pada turbin gas.

  tingkat

• – 1 HRSG
• – 1 turbin uap tekanan tunggal)
• – 1 HRSG tekanan dua tingkat – 1 turbin uap tekanan tunggal) menggunakan perangkat lunak Cycle- tempo .

  2. Mengetahui perubahan net power output, net plant efficiency, dan net plant heat rate yang dihasilkan dari sistem setelah dilakukan variasi pembebanan pada turbin gas.

  3. Mengetahui perubahan net power output, net plant efficiency, dan net plant heat rate yang dihasilkan dari sistem setelah dilakukan variasi pinch point dan approach temperature point pada HRSG.

1.5 Manfaat Penelitian

  Manfaat yang diperoleh dari penelitian ini adalah:

  1. Mengetahui cara mengevaluasi net power output, net plant

  efficiency dan net heat rate suatu sistem pembangkit dengan menggunakan perangkat lunak Cycle Tempo.

  2. Sebagai data pendukung untuk mengembangkan teknologi pembangkit yang menggunakan Heat Recovery Steam

  Generator (HRSG) didalamnya.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Siklus Kombinasi

  Siklus kombinasi adalah siklus yang menggabungkan antara dua siklus termodinamika yang paling umum ditemui aplikasinya pada pembangkit, yaitu siklus Rankine dan siklus Brayton. Siklus Rankine menggunakan fluida kerja berupa air, dan memiliki komponen utama berupa turbin uap, kondensor, pompa, dan boiler. Skema dari siklus Rankine ditunjukkan seperti pada gambar 2.1(a). Sedangkan siklus Brayton menggunakan fluida kerja berupa gas, dan memiliki komponen utama berupa turbin gas, kompresor, dan alat penukar panas (heat exchanger) yang diaplikasikan ke ruang bakar. Skema dari siklus Brayton ditunjukkan seperti pada gambar 2.1(b).

  (a) (b)

Gambar 2.1 (a) Siklus Rankine ; (b) Siklus Brayton

  Pada siklus Rankine, kerja akan dihasilkan dari putaran turbin uap yang memanfaatkan aliran uap air yang bertekanan tinggi. Setelah melewati turbin uap, tekanan uap air akan menurun lalu uap air masuk komponen kondensor untuk dikondensasikan menjadikan air. Setelah dari kondensor, air akan masuk pompa untuk dinaikkan tekannya dan masuk komponen boiler untuk merubah air menjadi uap air. Sedangkan pada siklus Brayton, kerja akan dihasilkan dari putaran turbin gas yang memanfaatkan aliran dari gas panas yang sebelumnya sudah dikompresi di kompresor lalu diberikan panas di ruang bakar (heat exchanger). Gas panas keluaran dari turbin gas masih memiliki temperatur yang tinggi setelah dimanfaatkan pada turbin, dan akan berbahaya jika langsung dibuang ke lingkungan. Oleh karena itu, panas gas buang tersebut dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan uap air pada siklus Rankine yang merupakan fungsi dari komponen boiler. Dengan menggabungkan kedua siklus tersebut, dapat menghasilkan efisiensi yang lebih besar karena sumber panas yang dibutuhkan oleh siklus Rankine dapat disediakan oleh siklus Brayton, sehingga tidak perlu bahan bakar tambahan. Skema dari siklus kombinasi dapat dilihat pada gambar 2.2.

Gambar 2.2 Siklus Kombinasi

• Tinjauan dari Siklus Brayton  Kompresor Pada kompresor gas akan mengalami kompresi, sehingga pada kondisi 2 gas akan memiliki tekanan yang tinggi. Dengan asumsi steady state, efek dari energi kinetik dan potensial dapat diabaikan, sehingga didapat: ̇ ̇ ̇ [ ]

  ̇

  (2.1)

  ̇

  Dimana adalah daya kompresor, ̇ ̇ adalah laju aliran massa udara, dan h adalah enthalpi.

   Ruang Bakar Pada ruang bakar (combustor) akan terjadi proses pemasukan kalor terhadap gas dalam sistem. Sehingga pada kondisi 3 gas akan memiliki temperatur dan tekanan yang tinggi. Dengan asumsi yang ada, didapat kan persamaan:

  ̇

  (2.2)

  ̇

  Dimana adalah kalor yang diserap gas dalam ̇ ruang bakar yang berasal dari pembakaracampuran bahan bakar dan udara dan

  ̇ adalah laju aliran massa udara ditambah bahan bakar.  Turbin Turbin yang digunakan pada siklus Brayton adalah turbin gas, karena fluida kerja pada siklus ini adalah gas. Gas yang memiliki temperatur dan tekanan yang tinggi akan diekspansi pada turbin gas, dan menghasilkan kerja. Sehingga pada kondisi 4, tekanan gas akan menurun begitu pula dengan temperaturnya namun tidak signifikan. Dengan asumsi yang ada, didapat kan persamaan:

  ̇

  (2.3)

  ̇ Dimana adalah daya turbin, dan ̇ ̇ adalah laju aliran massa gas hasil pembakaran.

   HRSG Pada HRSG akan terjadi proses pembuangan kalor dari siklus Brayton menuju siklus Rankine. Dengan asumsi yang ada, didapat kan persamaan:

  ̇

  (2.4)

  ̇

  Dimana adalah kalor yang dibuang gas dari siklus ̇

  Brayton menuju siklus Rankine, dan ̇ adalah laju aliran massa gas hasil pembakaran.

  Performa dari siklus Brayton ini dapat diketahui dengan menghitung efisiensi termal dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:

  (2.5) Dimana efisiensi siklus adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan dan kalor yang dibutuhkan.

• Tinjauan dari Siklus Rankine  Turbin Turbin yang digunakan pada sikluas Rankine adalah turbin uap, karena fluida kerja yang mengalir dalam siklus ini berapa air dan uap air. Pada kondisi 7, uap air yang keluar dari HRSG mempunyai temperatur dan tekanan yang tinggi. Ketika melewati turbin, maka terjadilah proses ekspansi yang menghasilkan kerja. Sehingga uap air pada kondisi 8 memiliki tekanan yang lebih rendah. Dengan persamaan energy balance, menggunakan asumsi steady state, perpindahan panas di sekitar turbin, energi kinetik, dan energi potensial diabaikan, didapat:

  ̇

  (2.6)

  ̇

  Dimana adalah daya turbin, ̇ ̇ adalah laju aliran massa steam (uap air), dan h adalah enthalpi.

   Kondensor Pada kondensor terjadi perpindahan panas dari fluida kerja ke air pendingin (cooling water) pada aliran yang terpisah. Fluida kerja akan mengalami kondensasi dan temperatur air pendingin akan meningkat. Dengan asumsi yang ada, didapat kan persamaan:

  ̇

  (2.7)

  ̇

  Dimana adalah kalor yang dibuang dari fluida kerja ̇ ke air pendingin.

   Pompa Setelah mengalami kondensasi, maka fluida kerja menjadi air. Air pada titik 9 akan dipompa, sehingga akan mengalami proses kompresi yang mengakibatkan tekanan air meningkat agar dipersiapkan masuk boiler. Dengan asumsi yang ada, didapat kan persamaan:

  ̇

  (2.8)

  ̇ Dimana merupakan input daya untuk pompa.

  ̇  HRSG

  Fluida kerja pada kondisi 6 setelah meninggalkan pompa disebut boiler feedwater, yang nantinya akan dipanaskan hingga mencapai titik jenuh dan mengalami evaporasi pada HRSG. Dengan asumsi yang ada, didapat kan persamaan:

  ̇

  (2.9)

  ̇

  Dimana adalah kalor yang diserap dari gas ̇ buang turbin gas untuk mengubah fase air menjadi uap. Performa dari siklus Rankine ini dapat diketahui dengan menghitung efisiensi termal dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:

  (2.10) Dimana efisiensi siklus adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan dan kalor yang dibutuhkan.

  Siklus Rankine dan siklus Brayton dikombinasikan menggunakan komponen HRSG (Heat Recovery Steam Generator) yang berperan sebagai boiler pada siklus Rankine dan memanfaatkan panas dari gas buang turbin gas siklus Brayton, Dikarenakan memiliki efisiensi yang cukup besar, penggunaan siklus kombinasi sudah diaplikasikan sebagai pembangkit listrik yang banyak dipakai di seluruh dunia. Untuk menghitung efisiensi termal dari siklus kombinasi, bisa didapat dengan:

  ̇ ̇

  (2.11)

  ̇

  Dimana adalah daya yang dihasilkan dari turbin gas, ̇ adalah daya yang dihasilkan dari turbin uap, dan adalah

  ̇ ̇ total panas yang dibutuhkan dalam siklus kombinasi.

  Sedangkan nilai heat rate sistem pembangkit diperoleh dengan persamaan berikut:

  ( ̇ )

  (2.12) Dimana adalah mass flow rate bahan bakar (kg/h),

  ̇ LHV adalah nilai kalor bawah bahan bakar (kJ/kg), dan Net

  

Power adalah daya yang dihasilkan pembangkit setelah dikurangi

  pemakaian sendiri (gross power

• – auxiliary power) (KW)

2.2 HRSG

  Heat Recovery Steam Generator adalah komponen utama

  yang menunjang siklus kombinasi dapat berjalan sesuai dengan fungsinya. Seperti sudah disebutkan sebelumnya, bahwa HRSG menggantikan fungsi boiler dalam siklus Rankine dan memanfaatkan panas dari gas buang turbin gas dari siklus Brayton. Secara umum, HRSG terdiri dari 3 komponen utama yaitu economizer, evaporator, dan superheater. Skema HRSG pada siklus kombinasi dapat dilihat dalam gambar 2.3.

Gambar 2.3 HRSG pada Siklus Kombinasi

2.2.1 Komponen Utama HRSG

  Energi panas yang didapatkan dari gas buang turbin gas akan dimanfaatkan untuk mengubah air menjadi uap air didalam 3 komponen utama HRSG, seperti pada gambar 2.4.

   Economizer Air yang sudah melewati pompa sehingga memliki tekanan yang tinggi akan melewati economizer terlebih dahulu saat memasuki sistem HRSG. Didalam Economizer, air akan menyerap panas yang berasal dari gas buang turbin gas. Penyerapan panas yang didalam economizer dimaksudkan agar air mendekati titik jenuhnya, sehingga dapat mengalami perubahan fase di komponen selanjutnya.

   Evaporator Setelah mendekati titik jenuhnya, air yang keluar dari economizer akan siap memasuki komponen evaporator. Pada air. Pada umunya konstruksi evaporator ini dilengkapi dengan drum, yang memiliki fungsi sebagai bejana yang memisahkan antara air yang sudah berubah fase dengan yang belum. Air yang masih dalam fase cair akan diputar kembali melalui rankaian pipa evaporator, sementara yang telah menjadi uap air akan melewati drum untuk dipersiapkan memasuki komponen selanjutnya.

   Superheater Pada Superheater atau biasa disebut pemanas lanjut, uap air yang sudah melewati drum akan dipanaskan kembali agar mencapai temperatur yang lebih tinggi. Hal ini dimaksudkan agar uap air yang akan melakukan kerja di turbin uap tidak akan mengembun selama proses ekspansi karena temperatur yang masih mendekati titik jenuh ketika melewati drum, sehingga diperlukan pemanas lanjut di superheater untuk menaikkan temperatur menjauhi titik jenuhnya.

Gambar 2.4 Skema Diagram HRSG single-pressure

2.2.2 Klasifikasi HRSG

   Berdasarkan Tingkat Tekanan

  a. Single Pressure Pada HRSG single pressure, fluida kerja akan dialirkan melalui komponen yang dikondisikan memliki tekanan yang sama dari economizer, evaporator, hingga superheater. Sehingga turbin uap yang dipakai juga memiliki tekanan tunggal. Energi dihasilkan dari gas buang yang akan dimanfaatkan panasnya untuk menghasilkan uap air. Skema tekanan tunggal adalah skema siklus uap air (Rankine) yang paling sederhana yang bisa diterapkan dalam siklus kombinasi dan pengunaannya sudah dipakai secara luas. Dengan skema ini akan didapatkan biaya instalasi yang paling murah, walaupun skema ini tidak menghasilkan efisiensi termal siklus kombinasi yang tertinggi. Skema tekanan tunggal dapat dilihat pada gambar 2.5.

Gambar 2.5 Profil distribusi temperatur pada Tekanan Tunggal

  b. Multi Pressure Pada HRSG multi pressure, fluida kerja akan dialirkan melalui aliran yang berbeda sesuai dengan tingkat tekanannya.

  Sehingga turbin uap yang dipakai akan menyesuaikan terhadap tingkat tekanan yang dimiliki HRSG. Pada multi pressure, bisa diaplikasikan menjadi 2 tingkat tekanan (High, and Low

  

Pressure ), atau 3 tingkat tekanan (High, Intermediate, and Low

pressure ). Dengan skema ini akan didapatkan biaya instalasi yang tidak murah, namun skema ini dapat menghasilkan efisiensi termal siklus kombinasi yang cukup tinggi.

Gambar 2.6 Skema Diagram HRSG multi-pressureGambar 2.7 Profil distribusi temperatur pada Tekanan Ganda

   Berdasarkan Prinsip Evaporator

  a. Tipe Drum HRSG tipe drum adalah yang paling sering ditemui aplikasinya. Prinsip kerja drum seperti yang telah disebutkan sebelumnya, adalah sebagai pemisah antara fluida kerja yang masih dalam fase cair dengan yang sudah menjadi fase gas.

  b. Tipe Once-through Untuk tipe once-through, aplikasinya memang masih jarang ditemui. Berbeda dengan tipe drum yang masih harus mensirkulasikan air yang belum berubah sepenuhnya manjadi uap air, pada tipe once-through air yang melewati evaporator ini akan langsung berubah sepenuhnya menjadi uap air. Sehingga tidak perlu mensirkulasikannya lagi.

  (a) (b)

Gambar 2.8 Evaporator: (a) tipe drum ; (b) tipe once-through

   Berdasarkan Sumber Panas

  a. Unfired Pada tipe ini, HRSG hanya memanfaatkan panas sepenuhnya dari gas buang turbin gas. Sehingga tidak memerlukan bahan bakar tambahan untuk proses yang terjadi didalam HRSG.

Gambar 2.9 Unfired HRSG

  b. Supplementary Fired Pada tipe ini, HRSG menggunakan sumber panas tambahan berupa burner yang ditempatkan pada jalur masuk gas untuk meningkatkan temperatur gas. Panas tambahan biasanya diperlukan apabila temperatur gas buang tigak cukup tinggi untuk bisa menghasilkan uap air yang optimal pada HRSG atau ketika temperatur lingkungan menjadi terlalu rendah sehingga berdampak pada turunnya temperatur gas buang yang biasa terjadi negara empat musim.

Gambar 2.10 Supplementary Fired HRSG

   Berdasatkan Arah Gas

  a. Horizontal Pada HRSG tipe horizontal, maka gas mengalir secara horizontal. Sehingga membuat susunan tube menjadi vertikal, yang merupakan keuntungan pada evaporator karena proses sirkulasi dapat terjadi secara alami dengan memanfaatkan gravitasi.

Gambar 2.11 HRSG Tipe Horizontal

  b. Vertikal Pada HRSG tipe certikal, maka gas mengalir secara vertikal, menjadikan susunan tube menjadi horizontal, sehingga pada evaporator proses sirkulasi harus dibantu dengan pompa. Namun untuk penggunaan tempat, tipe vertikal pada umunya lebih kecil dibanding tipe horizontal.

Gambar 2.12 HRSG Tipe Vertikal

  2.2.3 Efisiensi Termal HRSG

  Dalam suatu sistem, analisis berpusat pada daerah dimana materi dan energi mengalir melaluinya. Perhitungan efisiensi termal HRSG dapat dilakukan dengan membandingkan laju aliran energi yang digunakan untuk menguapkan air menjadi uap panas lanjut atau superheated (Qh) baik pada uap tekanan tinggi maupun uap tekanan rendah dan laju aliran energi yang terkandung dalam gas buang (Qeg) dari sistem PLTG yang berguna dalam HRSG, dirumuskan:

  ̇

  (2.13)

  ̇

  2.2.4 Pengaruh Pinch Point dan Approach Point pada HRSG

  Dalam mendesain sebuah HRSG digunakan pendekatan metode pinch point dan approach point. Pinch point merupakan besarnya selisih antara temperatur feed water masuk ke evaporator dengan temperatur gas buang yang keluar dari evaporator (T ), sedangkan approach point merupakan _{g3 – T s} dengan temperatur air keluar economizer (T ), seperti _{s – T w2} ditunjukkan pada gambar 2.13.

  t _s1